JP2002500440A - ウエハ・パッシベーション構造および製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ン構造とその製造方法に関する。
り数百万個もの個別のデバイスからなる。デバイスは、マイクロプロセッサなど
のような機能回路を形成するために、導電層および絶縁層を交互に並べて一体と
して集積している。堆積される最終層は通常、組立ておよびパッケージング中の
機械的および化学的損傷に対して保護する絶縁層であるパッシベーション層であ
る。
4と相互接続106を含む金属相互接続層102を外面に形成している基板10
0を示す。窒化シリコン層110と厚いポリイミド層112を含むパッシベーシ
ョン層108は、図1に示されるように、金属層102の上に形成される。次い
で、コンタクト開口114が窒化シリコン層110とポリイミド層112を通し
て形成されて、基板へ外部信号を入力したり、出力したりできるようにボンド・
パッド104にワイヤ・ボンド116などの電気コンタクトを作成できるように
する。気密層である窒化シリコン層110は、下方金属層102と直接接触して
形成されて、下にある基板への水分経路が特にボンド・パッド開口114内に存
在しないことを保証する。
が、高い金属線間静電容量のためにデバイス性能が悪化する。すなわち、窒化シ
リコン層110が高い誘電率(約7.0)を有し、隣接する金属形状104と1
06の間のギャップ118内に形成されるので、線間容量結合が増大してデバイ
ス性能が低下する。図1に示されるパッシベーション構造に関連する他の問題は
、高アスペクト比ギャップ118内に、十分な気密封止を得るのに必要な厚さま
で窒化シリコン層を堆積することが困難なことである。
ン構造と方法が望まれる。
施態様によれば、ギャップによって金属部材から離隔されたボンド・パッドを有
する金属層が、基板上に形成される。次いで、ボンド・パッドおよび金属部材の
上に第1の誘電体層が形成され、ギャップを完全に充填する。次に、気密性があ
り、第1の誘電体層よりも大きな誘電率を有する第2の誘電体層が、第1の誘電
体層の上に形成される。
に形成される。次いで、第2の誘電体層が、第1の誘電体層上に形成される。次
いで、ボンド・パッドの上面を露出するために、第1および第2の誘電体層を通
して開口が形成される。次いで、開口の側面、およびボンド・パッドの上面に障
壁層が堆積される。次いで、開口内の障壁層にコンタクトが形成される。
製造方法である。以下の説明では、本発明を深く理解できるようにするため、材
料、厚さ、プロセスなどの特定の詳細を数多く示す。しかし、本発明をこれら特
定の詳細を用いずに実施できることは当業者に明らかであろう。場合によっては
、本発明を不必要に曖昧にしないために、よく知られた半導体プロセスおよび装
置は詳細に説明しない。
製造方法である。本発明によるパッシベーション構造は図2に示される。基板2
00上に、ギャップ208によって離隔された、ボンド・パッド204や相互接
続206などの金属形状を含む外側が平坦なメタライゼーションが形成される。
第1の誘電体層210が、ボンド・パッド204および金属形状206の上に、
ギャップ208を完全に充填する厚さに形成される。第1の誘電体層210は、
二酸化シリコンなど比較的低い誘電率(4.0未満)を有する材料で形成される
ことが好ましい。窒化シリコンなど耐湿性材料(すなわち気密材料)から形成さ
れた封止用誘電体層212が第1の誘電体層210の上に形成される。ポリイミ
ドなどのキャップ誘電体層214を封止用誘電体層212上に形成して、引っか
き抵抗およびパッケージの応力調整を行うことができる。C−4(contro
lled chip conllapse contact)など、導電障壁層
216およびバンプ218を含む電気コンタクト215が、誘電体210、封止
誘電体212、およびキャップ誘電体214を通して形成され、ボンド・パッド
204との電気的な接触をする。
止を形成する。障壁層216および封止層212が基板200のための気密封止
を行っているので、低い誘電率を有するが水分浸透に対する耐性のない材料で第
1の誘電体層210を形成することができる。ギャップ208を低誘電率材料2
10で完全に充填することによって、隣接する金属形状間は、低相互接続静電容
量(低結合容量)となり、そのためデバイス性能が改良される(より速くなる)
。このようにして、本発明は、気密性(水分浸透に対する耐性)があり、極めて
低い静電容量を示すパッシベーション構造を提供する。
本発明によれば、図3aに示すような基板300が用いられる。基板300は、
データを基板300に入力する、かつそこから出力するための少なくとも1つ(
一般に、数百個)のボンド・パッド304を含むメタライゼーション層302を
外面に含む。外側メタライゼーション層302はまた、相互接続やコンデンサ電
極などの金属形状306も含む。メタライゼーション層302は、銅、アルミニ
ウム、金など、それらに限定されない低抵抗金属または金属合金から形成され、
5000Å〜30000Åの間の総厚さを有する。メタライゼーション層302
は、障壁層および非反射コーティングを含んでよく、または含まなくてもよい。
メタライゼーション層302の個々の金属形状は、ギャップ308によって離隔
される。ギャップ308の最小間隔または幅(W)は、プロセスの限界寸法によ
って決まり、本発明では、0.30μm未満であってよい。このような狭い形状
間隔は、高アスペクト比ギャップ308(すなわち、およそ2.0のアスペクト
比を有するギャップ)を作成することができる。アスペクト比は、ギャップ高さ
÷ギャップ幅と定義される。
基板、トランジスタやコンデンサなどのデバイス、およびデバイスを機能回路に
結合するために使用される金属および絶縁体の多層を含む。基板300は、必ず
しも、集積回路を製造するための半導体基板である必要はなく、フラット・パネ
ル・ディスプレイに使用されるものなど任意のタイプの基板であってよいことを
理解されたい。本発明のために、基板を、本発明の膜が形成され、本発明のプロ
セスが行われる材料と定義する。
の誘電体層310を形成することである。誘電体層310は、ボンド・パッド3
04および金属形状306の上に、ギャップ308を完全に充填するように堆積
される。誘電体層310は、少なくともギャップ308を完全に充填するのに十
分な最小厚さに形成される。ほとんどの場合、誘電体層310は、少なくとも金
属302と同じ厚さに堆積されて、最大幅ギャップの完全な充填を保証する。
未満の誘電率)を有する材料で形成することが好ましい。本発明の一実施形態で
は、誘電体層310は、350〜400℃の間の基板温度で、SiH4とO2から
なる化学作用を利用する高密度プラズマ(HDP)によって形成される二酸化シ
リコン(SiO2)膜である。このようなプロセスは、高アスペクト比ギャップ 308を充填できる優れたギャップ充填性を有し、後続の層を堆積することがで
きる平滑な表面を形成できる。膜の誘電率をさらに減少させるために、第1の誘
電体層310をフッ素イオンでドープすることもできる。誘電体層310は、イ
ンサイチュで(膜310の堆積中に)、または形成後にイオン注入によってドー
プすることができる。エーロゲル、ポリイミド、スピンオン・ガラスなど、それ
らに限定されない低K誘電体膜を誘電体層310として使用することができるこ
とを理解されたい。さらに、誘電体層310は、必ずしも単一層誘電体膜である
必要はなく、複数の異なる誘電体層からなる複合膜であってよい。
10の上に形成される。封止用誘電体層312は、水分浸透に対して耐性がある
材料で形成される(すなわち、気密材料で形成される)。普通のチップ動作温度
、一般には100〜120℃の間で、多湿環境下での水分浸透を防止することが
できる場合、層に気密性があると言われる。封止用誘電体層312は、できるだ
け薄く、それでも適切な気密封止を行えるように形成される。本発明の一実施形
態では、封止用誘電体層312は、SiH4とNH3からなる化学作用を利用する
プラズマ増速CVDと、400℃の基板温度とによって、500〜1,500Å
の厚さに形成された窒化シリコン膜である。プラズマ増速CVD窒化シリコン層
312がHDPで形成された二酸化シリコン層に堆積されるとき、窒化シリコン
層312は、薄く(1,000Å未満)形成され、それでもHDP二酸化シリコ
ン膜の表面が平滑であるので気密封止を行うことができる。
隣接する金属形状間の容量結合を増大させてデバイス性能を低下させることがな
いようにするために、封止用誘電体層312を金属形状304および306の上
方、ならびにギャップ308の外に保持することが重要であることを理解された
い。
12の上に形成される。キャップ誘電体層314は、パッケージと基板300と
の間の応力を除去し、また封止誘電体312に対する引っかきの保護となり、そ
のため封止用誘電体層312によって形成された気密封止の完全性に引っかきが
影響を与える恐れがない。本発明の一実施形態では、キャップ誘電体層314は
、Hitachi感光性ポリイミド・タイプ1708などの感光性ポリイミドで
ある。そのようなポリイミドは、当技術分野でよく知られているように、2.0
〜10ミクロンの間の厚さに「スピンオン」することができる。あるいは、キャ
ップ層314は、例えばCVDで堆積された二酸化シリコン層などであってもよ
い。
ド304に向けて誘電体層314、312、および310を通して形成される。
誘電体層314が感光性ポリイミドである場合、開口316は、ボンド・パッド
開口316が望まれるキャップ誘電体層314の露光部をマスクし、露光し、次
いで現像することによって、誘電体層314内に形成することができる。このよ
うなプロセスは、開口316内の後続の膜堆積を増大させる、キャップ層314
内の先細りの側壁を作成する。パターン形成されたキャップ誘電体層314を、
封止用誘電体層312と誘電体層310のエッチング用のマスクとして使用する
ことができる。封止用誘電体層312が窒化シリコン層である場合、よく知られ
たLAMエッチャにおけるSF6およびHeからなる化学作用を用いる反応性イ オン・エッチング(RIE)によって、異方性をもたせてエッチングすることが
できる。封止用誘電体層312をエッチングした後、エッチング化学作用を、第
1の誘電体310をエッチングするのに適した化学作用に変更することができ、
二酸化シリコンの場合はC4F8+COであってよい。誘電体層310のエッチン
グは、ボンド・パッド開口316内のボンド・パッド304から誘電体層310
を完全に除去することを保証するように、オーバ・エッチングする時限エッチン
グであってよい。
ジスト・マスクを形成し、よく知られたフォトリソグラフィ技法によってパター
ンを形成することができる。
壁層318が形成される。障壁層318は、キャップ誘電体層314の上面の上
に、ボンド・パッド開口316の側壁317に沿って、かつボンド・パッド30
4の上に形成することができる。障壁層318は、コンタクト開口316の側壁
317に沿って気密封止を形成する。障壁層318は、水分が障壁層318を通
して誘電体層310に浸透するのを防止するのに十分な材料および厚さで形成さ
れる。
pse contact)金めっきバンプのために使用される障壁層である。C−4バンプ 用の障壁層は、厚さ500Åの下側チタン膜と、厚さ4,000Åの上側ニッケ
ル・バナジウム膜からなる二重層膜をスパッタ堆積することによって形成するこ
とができる。チタン膜は、金の拡散に対する障壁として働き、ニッケル・バナジ
ウム膜は、C−4バンプがボンド・パッド304に接着するのを助ける。他の実
施形態では、障壁層318は、TAB(tape automated bonding)コンタクトの
ために使用される障壁層であってよい。TAB障壁層は、下側チタン膜と上側金
膜からなる二重層膜をスパッタ堆積することによって形成することができる。チ
タン層は、金の拡散に対する障壁として働き、金層は、金TABバンプがボンド
・パッド304に接着するのを助ける。障壁層318の形成の前に、かつインサ
イチュで、アルゴン・スパッタ・エッチングを使用して、ボンド・パッド304
との清浄な低抵抗コンタクトを提供することができる。
。本発明の一実施形態では、バンプ320は、C−4はんだバンプである。C−
4はんだバンプは、障壁層318上に約25ミクロンのフォトレジスト層322
を堆積し、次いでC−4バンプが望まれる位置を決めてフォトレジスト層をパタ
ーニングして、形成することができる。次いで、障壁層318がフォトレジスト
322によって覆われていない領域に電気めっきを施すことによって、はんだバ
ンプ(PbSn)を形成することができる。はんだめっき溶液内に基板300を
配置し、障壁層318に電流を印加して、それにより、はんだを引き寄せるよう
に電荷を蓄積することによって、はんだバンプを形成することができる。バンプ
320は、約100ミクロンの高さに形成することができる。
ンプであってよい。金めっきTABバンプは、バンプが金めっきされていること
、および約27ミクロンの高さに形成されることを除いて、はんだバンプの形成
と同様のプロセスで形成することができる。
媒スプレイ装置(SSP:solvent spray processor)によってなど、よく知ら れた技法によって除去される。次に、障壁層318のバンプ320によって覆わ
れていない部分が、任意のよく知られた技法によってエッチング除去される。ニ
ッケル・バナジウム層は、H2O2とH2SO4からなるウェット・エッチャントに
よってエッチング除去することができ、チタン層は、HF、H2O2、およびH2 SO4からなるウェット・エッチャントによってエッチング除去することができ る。基板300に形成されたバンプ320の短絡を防止するために、障壁層31
8の露出部を除去しなければならない。ここで、希望するなら、マッシュルーム
形のバンプを球形のバンプに変換するために、バンプ320をリフローすること
もできる。バンプ320は、400℃のH2環境を有する炉内に基板300を配 置することによってリフローすることができる。これで、本発明のプロセスが完
了する。
提供するパッシベーション構造を形成した。低誘電率誘電体層310が金属線間
のギャップ308内に形成されるため、かつ封止用誘電体層312などの高誘電
率材料が金属形状304および306の上方、およびギャップ308の外に保持
されているため、線間静電容量が減少する。基板300の気密封止は、封止用誘
電体層312およびコンタクト322によって形成される。封止用誘電体層31
2は、水分が誘電体310の上面を介して侵入するのを防止し、障壁層318お
よびバンプ320は、ボンド・パッド開口316の側壁317を被覆し、それに
よって、露出したSiO2エッジ317を介して水分が侵入するのを防止する。
内で論じた材料およびプロセスを様々な等価な材料およびプロセスで代用できる
ことを当業者は理解されよう。したがって、本発明の詳細な説明は、限定するも
のとしてではなく、例示と考えられるべきであり、本発明の範囲は、頭記の特許
請求の範囲によって判断されるべきである。
された。
。
Claims (30)
- 【請求項1】 半導体基板上にパッシベーション層を形成する方法であって
、 基板上の金属相互接続層の上に第1の誘電体層を形成するステップであって、
前記金属相互接続層が、ボンド・パッドと、前記ボンド・パッドからギャップに
よって離隔された金属部材とを含み、前記第1の誘電体が、前記ボンド・パッド
および前記金属部材の上に、かつ前記ギャップ内に形成されるステップと、 前記第1の誘電体層の上に第2の誘電体層を形成するステップとを含み、 前記第2の誘電体層は、気密性があり、前記第1の誘電体よりも大きな誘電率
を有する方法。 - 【請求項2】 前記第1の誘電体層が、少なくとも前記金属層と同じ厚さで
ある請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記第1の誘電体層が二酸化シリコンを備える請求項1に記
載の方法。 - 【請求項4】 前記第2の誘電体層が窒化シリコンを備える請求項1に記載
の方法。 - 【請求項5】 前記第2の誘電体層が、前記第1の誘電体層よりも薄い請求
項1に記載の方法。 - 【請求項6】 気密封止された集積回路を形成する方法であって、 基板上のボンド・パッドの上面に第1の誘電体層を形成するステップと、 前記第1の誘電体上に第2の誘電体層を形成するステップと、 前記ボンド・パッドの前記上面を露出するために、前記第2の誘電体および前
記第1の誘電体を介して開口を形成するステップと、 前記開口の側面および前記ボンド・パッドの前記上面に導電障壁層を堆積する
ステップと、 前記開口内の前記障壁層にバンプを形成するステップと を含む方法。 - 【請求項7】 前記第2の誘電体層および前記障壁層が、水分浸透に対して
耐性がある請求項6に記載の方法。 - 【請求項8】 前記第1の誘電体層が二酸化シリコンを含み、前記第2の誘
電体層が窒化シリコンを含む請求項7に記載の方法。 - 【請求項9】 前記導電障壁層がチタン下層とニッケル・バナジウム上層を
備える請求項6に記載の方法。 - 【請求項10】 前記バンプが、電解めっきによって形成される請求項6に
記載の方法。 - 【請求項11】 低相互接続静電容量ウエハ・パッシベーションを形成する
方法であって、 ギャップによって第2の部材から離隔された第1の部材を有する金属層を形成
するステップと、 前記第1および第2の部材の上と前記ギャップ内に第1の誘電体層を形成する
ステップであって、前記ギャップが前記第1の誘電体層によって完全に充填され
るステップと、 前記第1の誘電体層の上に第2の誘電体層を形成するステップであって、第2
の誘電体層が、前記第1の誘電体よりも高い誘電率を有するステップと、 前記離隔された部材の少なくとも1つの上面を露出するために、前記第2の誘
電体および前記第1の誘電体を介して開口を形成するステップと、 前記開口の側壁に、かつ前記少なくとも1つの離隔された部材の上面の上に障
壁金属を形成するステップと、 前記開口内の前記障壁金属にコンタクトを形成するステップ とを含む方法。 - 【請求項12】 さらに、前記第2の誘電体を形成した後、前記障壁層を形
成する前に、前記第2の誘電体層の上に第3の誘電体層を形成するステップを含
む請求項11に記載の方法。 - 【請求項13】 前記コンタクトがバンプである請求項11に記載の方法。
- 【請求項14】 前記バンプが電解めっきによって形成される請求項13に
記載の方法。 - 【請求項15】 前記第1の誘電体層が二酸化シリコンを含む請求項11に
記載の方法。 - 【請求項16】 前記第1の誘電体層が、フッ素でドープされた二酸化シリ
コンを含む請求項11に記載の方法。 - 【請求項17】 前記第2の誘電体層が窒化シリコンを含む請求項11に記
載の方法。 - 【請求項18】 前記第3の誘電体層がポリイミドを含む請求項12に記載
の方法。 - 【請求項19】 前記第1の誘電体層が、前記第2の誘電体層よりも厚い請
求項11に記載の方法。 - 【請求項20】 前記障壁層が、チタン下層およびニッケル・バナジウム上
層を備える請求項11に記載の方法。 - 【請求項21】 基板の上に形成されるパッシベーション・膜であって、 基板上に形成され、ギャップによってボンド・パッドから離隔された金属部材
を備える前記金属相互接続層の上に形成される第1の誘電体層であって、前記ボ
ンド・パッドおよび前記金属部材の上に形成されて、前記ギャップを完全に充填
する第1の誘電体層と、 前記第1の誘電体層の上に形成され、前記第1の誘電体層よりも大きな誘電率
を有する第2の誘電体層 とを備えるパッシベーション構造。 - 【請求項22】 前記第1の誘電体層が、4.0以下の誘電率を有する請求
項21に記載のパッシベーション構造。 - 【請求項23】 前記第1の誘電体層が二酸化シリコンである請求項22に
記載のパッシベーション構造。 - 【請求項24】 前記第2の誘電体層が、水分浸透に対して耐性がある請求
項21に記載のパッシベーション構造。 - 【請求項25】 前記第2の誘電体層が窒化シリコンである請求項24に記
載のパッシベーション構造。 - 【請求項26】 基板上のボンド・パッドの上面に形成され、前記ボンド・
パッドに側壁を有する第1の誘電体層と、 前記第1の誘電体層上の第2の誘電体層と、 前記第1の誘電体層および前記第2の誘電体層を通し、前記ボンド・パッドに
接触して形成された電気コンタクトであって、前記第1の誘電体層の前記側壁に
直接的に隣接し、そこに直接接触する電気コンタクトと を備えるパッシベーション構造。 - 【請求項27】 前記第2の誘電体層および前記電気コンタクトが、水分浸
透に対して耐性がある請求項26に記載のパッシベーション構造。 - 【請求項28】 前記第1の誘電体層が二酸化シリコンを備え、前記第2の
誘電体層が窒化シリコンを備える請求項26に記載のパッシベーション構造。 - 【請求項29】 前記電気コンタクトが、導電障壁下層および金属バンプを
備える請求項26に記載のパッシベーション構造。 - 【請求項30】 前記導電障壁下層が、チタン下層およびニッケル・バナジ
ウム上層を備える請求項29に記載のパッシベーション構造。
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